先进热虹吸管系统中具有新颖强化传热表面蒸发器的实验研究

论文摘要

随着电子元件集成化和高速处理的发展,电子元件的热设计和热管理成为电子工业的一个巨大挑战。为了满足电子元件工作温度的需要,保证电子元件的安全与使用寿命,正在发展实现电子元件有效热控制的冷凝方法,例如:热管和热虹吸管。热虹吸管又叫做重力热管。对于单管系统的热虹吸管和热管,在高热流密度下,可能会发生蒸发的气体和冷凝的液体的对撞流动,这不可避免的限制了单管系统的传热能力。相对于单管系统的热虹吸管和热管的传热效果,具有纳米多孔结构强化传热表面的先进热虹吸管环路系统能表现出更为显著的散热效果。本文主要对封闭式先进两相流热虹吸管环路系统的蒸发器进行了较系统的实验研究,实验在瑞典皇家理工学院热动与制冷实验室完成。在特定的充液工质(R134a)和压力(P=6.5bar,Pr=0.16)下,研究光滑的矩形铜表面通道的蒸发器在不同截面尺寸条件下的传热系数的影响。在实验研究基础上,选出最佳的传热系数对应的光滑矩形铜表面通道的蒸发器的几何参数。在相同的系统和蒸发器尺寸参数和条件下,通过实验研究应用纳米技术的新颖纳米和微米多孔强化传热结构的蒸发器的传热效果,并且与光滑表面的蒸发器所做的实验结果进行对比。对比了不同充液高度和不同上升立管直径条件下的系统蒸发器的传热系数,并讨论了不同充液高度条件下蒸发器的传热系数。研究结果表明,热虹吸管系统中充液高度决定了系统流体循环驱动力的大小,不同虹吸管的直径对流动阻力和“回流现象”有一定的影响。论文用高速摄像机对蒸发器内的沸腾状态进行了可视化研究。通过高速摄像机所拍摄到的清晰照片分析了热虹吸管蒸发器(蒸发段)内沸腾的各种沸腾状态和各种沸腾状态下的传热特性。通过将热虹吸管系统的上升立管改为玻璃管,并对上升立管中的两相流进行了多个对比实验,研究了上升立管两相流的流动状态对蒸发器传热效果的影响,并探讨了蒸发器中的“回流现象”和回流的机理。实验数据与传热关联式进行了比较分析。最后,基于结论提出了热虹吸管系统的改进方案。

论文目录

• 中文部分
• 摘要
• Abstract
• 重要符号说明
• 1.介绍
• 1.1 背景
• 1.2 研究目的与方法
• 2.科研学术背景
• 2.1 热虹吸管
• 2.2 微通道传热
• 2.3 强化理论,微米结构和纳米结构
• 2.4 沸腾中的传热
• 3.实验设置
• 3.1 热虹吸管系统的结构
• 3.2 冷凝器
• 3.3 下降管和上升管
• 3.4 蒸发器
• 3.4.1 蒸发器的制作
• 3.4.2 纳米多孔表面的制作
• 3.5 测试过程
• 3.6 误差分析
• 3.6.1 随机误差（type A）
• 3.6.2 系统误差（type B）
• 4.结果与讨论
• 4.1 第一节 不同通道深度条件下矩形光滑表面的蒸发器的实验
• 4.2 第二节 实验EXPERIMENT1,2,3,4,5的蒸发器中的沸腾状态
• 4.3 第三节 纳米多孔强化表面蒸发器的效果
• 4.4 第四节 不同制冷剂液面高度的影响
• 4.5 第五节 使用不同直径的玻璃上升立管的结果比较
• 4.6 第六节 关于回流现象和温度波动的讨论
• 5.实验结果与Khodabandeh关系式的对比
• 6.结论
• 附录 Appendix
• 设备列表EQUIPMENT LIST
• 误差计算列表
• 参考文献:
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表
• 英文部分
• Abstract
• Acknowledgement
• Nomenclature
• 1.Introduction
• 1.1 BACKGROUND
• 1.2 AIM AND METHODS OF THE STUDY
• 2.Literature review
• 2.1 THERMOSYPHON
• 2.2 HEAT TRANSFER IN MINI-CHANNELS
• 2.3 ENHANCEMENT THEORY,MICRO-AND NANO-STRUCTURE
• 2.4 HEAT TRANSFER IN BOILING
• 3.Experimental Setup
• 3.1 THE STRUCTURE OF THE THERMOSYPHON SYSTEM
• 3.2 CONDENSER
• 3.3 DOWNCOMER AND RISER
• 3.4 EVAPORATOR
• 3.4.1 Fabrication of the evaporators
• 3.4.2 Fabrication of the nano-porous surface
• 3.5 TESTING PROCESS
• 3.6 ERROR ANALYSIS
• 3.6.1 Estimated uncertainty（type A）
• 3.6.2 Expected uncertainty（type B）
• 4.Results and discussion
• 4.1 CHAPTER1 EXPERIMENTS OF RECTANGULAR SMOOTH SURFACE EVAPORATORS WITH DIFFERENT CHANNEL DEPTHS
• 4.2 CHAPTER2 BOILING REGIMES OF EVAPORATORS OF EXPERIMENT1,2,3,4,5
• 4.3 CHAPTER3 THE PERFORMANCE OF NANO-POROUS ENHANCED SURFACE EVAPORATOR
• 4.4 CHAPTER4 INFLUENCE OF DIFFERENT REFRIGERANT LEVELS
• 4.5 CHAPTER5 COMPARISON WITH GLASS RISERS IN DIFFERENT DIAMETERS
• 4.6 CHAPTER 6 DISCUSSION OF BACK-FLOW AND TEMPERATURE FLUCTUATION
• 5.Comparison between experimental results and predictions by Khodabandeh's correlation
• 6.Conclusions
• Appendix
• EQUIPMENT LIST
• UNCERTAINTIES
• References:
• 学位论文评阅及答辩情况表